Les moteurs pas à pas FAULHABER en route vers Mars
07/12/2018
Six moteurs pas à pas FAULHABER équipés de réducteurs planétaires qui équipent l'instrument de mesure d'impulsion SEIS sont actuellement en route dans l'espace et auront, après l'atterrissage de l'instrument sur Mars, deux missions à accomplir : d'abord, équilibrer de façon précise la mécanique de mesure puis compenser les forces de tension résultant des fortes variations saisonnières de la température.
Les séismes sont un signe indéniable du mouvement des masses sous la surface d'une planète. Cette prise de conscience est en fait assez récente dans le monde des sciences naturelles. Il y a environ 100 ans, Alfred Wegener, géoscientifique allemand, a proposé la théorie de la tectonique des plaques, une théorie qui n'a d'abord pas été prise au sérieux par ses collègues. Aujourd'hui, nos connaissances des plaques continentales, qui flottent et se déplacent sur le manteau en fusion de la Terre, font partie de l'enseignement scolaire. Le déplacement des plaques continentales modifie les formations géologiques et cause de profonds fossés d'effondrement et d'importantes dorsales océaniques. On sait que cela se produit sur Terre. Mais qu'en est-il de la planète la plus proche de nous, Mars ?
Plus sensible que n'importe quel autre appareil
Le fossé rhénan supérieur en Allemagne s'étend sur une longueur d'environ 400 kilomètres. La région de Valles Marineris sur Mars est dix fois plus longue et, en certains points, elle atteint sept kilomètres de profondeur. Le canyon de notre planète voisine est-il aussi le résultat du déplacement des plaques de la croûte planétaire ? Ce processus s'est-il achevé il y a longtemps ou se poursuit-il encore aujourd'hui ? Il est possible de répondre à ces questions en mesurant les ondes sismiques. Y a-t-il une activité sismique sur Mars ? La mission « InSight » de la NASA, lancée le 5 mai 2018, doit apporter une réponse à cette question et à bien d'autres. L'atterrisseur touchera Mars fin novembre et placera, à l'aide du bras du robot, un sismomètre sur la surface de la planète. L'instrument de mesure, appelé SEIS, est tellement sensible qu'il peut détecter des déplacements du sous-sol dont l'amplitude correspond au diamètre d'un seul atome d'hydrogène. La NASA qualifie cet instrument de « sismomètre le plus sensible jamais construit ».
Compensation de la dilatation des matériaux
La sensibilité et la précision de mesure sont, entre autres, le résultat de la compensation thermique d'un mécanisme à ressort. Cette compensation est nécessaire car les différentes saisons sur la planète rouge provoquent de grandes variations de température. Et ce qui s'applique sur Terre s'applique également sur Mars : les différences de températures provoquent la contraction, la dilatation et la modification de la résistance des matériaux, aspects particulièrement notables dans les mécanismes à ressort. Trois moteurs pas à pas de type AM 0820 de FAULHABER sont installés à l'intérieur de la chambre à vide de SEIS afin de compenser ces changements de température. Les moteurs d'un diamètre de huit millimètres seulement sont associés à des réducteurs planétaires de la série 08/1 de FAULHABER. Avec leur boîtier en acier inoxydable, les réducteurs sont équipés d'un arbre spécial et d'un roulement à billes recouvert d'un revêtement particulier pour leur utilisation sur Mars.
Le sismomètre a été construit principalement par Sodern, filiale du groupe français Ariane. Lors de l'évaluation de la technologie d'entraînement, Sodern a recherché le meilleur équipement technique. « Cela a nécessité des recherches minutieuses » rappelle Rémy Lambertin, attaché de presse. En fin de compte, sa société était sur le point de « construire l'un des plus petits instruments jamais envoyés sur Mars ». Mais plus un instrument est petit, plus il est amené à être fragile. Les exigences de qualité en termes de robustesse, de durabilité et de fiabilité opérationnelle, ont donc été placées très haut.
Conçue conjointement avec la filiale française de FAULHABER, la solution d'entraînement par moteur pas à pas doit être apte à effectuer au moins 160 cycles de correction sur une période de deux ans. Les tests d'endurance effectués sur Terre ont cependant été conçus pour simuler une période de six ans, et ce sur une plage de fonctionnement thermique allant de -120 à +70 degrés Celsius. Les moteurs pas à pas de FAULHABER ont déjà été utilisés avec succès dans des conditions ambiantes aussi exigeantes lors d'autres missions de la NASA et de l'ESA sur Mars.
Une bonne lubrification, un véritable défi
Selon Rémy Lambertin, l'un des plus grands défis associés à l'utilisation du sismomètre était de garantir une lubrification efficace de la technologie d'entraînement. Un lubrifiant spécial est nécessaire car la pression moyenne à la surface de Mars n'est que de 6,36 hPa. Sur Terre, cela correspond à peu près à la pression atmosphérique à 35 kilomètres d'altitude. La lubrification fiable des roulements à billes des moteurs et des pièces coulissantes des réducteurs avec un produit Dicronite est l'un des facteurs décisifs qui permettent à SEIS un ajustement sans jeu et d'une durabilité exceptionnelle sur la surface de Mars.
SEIS, pour Seismic Experiment for Interior Structure, se compose essentiellement de deux capteurs sismiques triaxiaux qui détectent des mouvements d'intensité et de fréquence différentes dans le sol. Un capteur mesure les fréquences de 0,01 à 10 hertz, l'autre les fréquences de 0,1 à 50 hertz. SEIS est assisté d'instruments mesurant la force du vent, la pression atmosphérique, la température et le champ magnétique. L'objectif de ces mesures est de déterminer si les vibrations sont réellement d'origine sismique ou simplement le résultat de facteurs perturbateurs à la surface de Mars. En fin de compte, l'instrument est capable de détecter des vibrations qui font bouger le sol de la planète rouge de moins que l'épaisseur d'un atome d'hydrogène. Ce degré de précision n'est possible que parce que le système de positionnement, entraîné électriquement par des moteurs pas à pas FAULHABER, effectue un processus de nivellement élaboré. Le système a été développé à l'Institut Max Planck pour la recherche sur le système solaire à Göttingen en Allemagne.
Micro-entraînements sans jeu
Après l'atterrissage en novembre, les axes d'entraînement fonctionneront avec une précision de positionnement d'une tolérance inférieure à 0,1 degré. Grâce à l'absence de jeu, les six axes d'entraînement FAULHABER garantissent une reproductibilité élevée et constante de la course, et ce, avec une masse nette inférieure à 20 grammes. Cet énorme performance technologique est nécessaire car SEIS se trouve seul sur Mars, alors que les sismomètres sur Terre font généralement partie d'un réseau, ce qui, en définitive, améliore la précision de la mesure. Dans ce contexte, le sismomètre ultra sensible sur la planète rouge est placé dans une boîte sous vide thermiquement isolée conçue pour le protéger contre les facteurs environnementaux perturbateurs.
